بویلرهای فایرتیوب یکی از قدیمیترین و پرکاربردترین انواع بویلرها در صنعت هستند. این بویلرها به دلیل ساختار ساده، قابلیت اطمینان بالا و هزینههای پایین تعمیر و نگهداری، از دیرباز تا به امروز مورد استفاده قرار گرفتهاند.در بویلر فایرتیوب حرارت گازهای داغ حاصل از احتراق به آب داخل مخزن بویلر منتقل میشود و باعث تولید بخار یا آب گرم میگردد. این بخار برای تامین انرژی مورد نیاز در فرآیندهای مختلف صنعتی، از جمله تولید برق، گرمایش و فرآوری مواد شیمیایی، استفاده میشود. در این مقاله به بررسی دیگهای فایرتیوب، انواع آن، اجزا، کاربردها و راهکارهای افزایش بازدهی در دیگهای فایرتیوب پرداخته شده است.
بویلر فایرتیوب
بویلرها از نظر ساختار به دو دسته بویلر فایرتیوب و بویلر واترتیوب دسته بندی میشوند. بویلرهای فایرتیوب (Fire Tube Boilers) یکی از انواع پرکاربرد دیگها هستند که از قرنها پیش در صنایع مختلف استفاده میشوند. در این نوع بویلرها، گازهای داغ حاصل از احتراق سوخت، از چندین مسیر درون لولههای دود عبور کرده و آب پیرامون این لولهها گرم میشود؛در نهایت آب گرم یا بخار تولید میشود. این در حالی است که در بویلرهای واترتیوب آب داخل لولهها در جریان است و گازهای احتراق این لولهها را احاطه میکند. بویلرهای واترتیوب برای تولید بخار یا آب گرم با فشارهای بالا استفاده میشوند. این بویلرها در صنایع نفت و گاز، پتروپالایشگاهی و نیروگاهی کاربرد دارند.
اولین بویلرهای فایرتیوب در اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 میلادی توسعه یافتند و به خصوص در صنایع اولیه همچون تولید برق و حمل و نقل، نظیر لوکوموتیوهای بخار، به کار گرفته شدند. یکی از اولین طراحیهای این بویلرها در سال 1804 توسط ریچارد تریویثیک (Richard Trevithick) در انگلستان انجام شد که برای تأمین بخار در لوکوموتیوهای بخار استفاده میشد.
با گذر زمان و پیشرفت فناوری، دیگهای فایرتیوب در اندازه و کارایی بهبود یافتند و به دلیل سادگی در طراحی، هزینههای پایین نگهداری و تعمیرات، و قابلیت تولید حجم بالای بخار با فشار متوسط، به یکی از اصلیترین تجهیزات گرمایشی در صنایع مختلف تبدیل شدند. این نوع بویلرها به خصوص در صنایعی مانند تهویه ساختمان، تولید مواد غذایی، کاغذ، صنایع شیمیایی، صنایع پتروپالایشگاهی و نیروگاههای کوچک، نقش مهمی ایفا میکنند.
اجزای بویلر فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب از جمله دیگهای آب گرم یا بخار، دارای چند جزء اصلی مشترک هستند. در شکل اجزای اصلی یک بویلر فایرتیوب آورده شده است که عبارتند از :أ
1- پوسته مخزن بویلر (Boiler Shell): این بخش یک مخزن تحت فشار است که در آن سیال عامل (آب یا روغن) گرم میشود.
2- محفظه احتراق (Combustion Chamber): در این محفظه شعله مشعل تشکیل میشود. از طریق مکانیزم تشعشع، جابهجایی و رسانش گرمای شعله به سیال عامل بویلر (آب یا روغن) منتقل میگردد. در این قسمت، حدود 40 تا 45 درصد انرژی حاصل از احتراق سوخت و هوا به سیال بویلر منتقل میگردد.
3- محفظه برگشتی (Reversal Chamber): گازهای حاصل از احتراق پس از عبور از محفظه احتراق وارد این قسمت میشوند. در محفظه برگشتی، گازهای احتراق بخشی از انرژی خود را به آب پیرامون خود داده و وارد لولههای دود (پاس دوم) میشود.
4- لولههای دود (smoke tube): گازهای حاصل از احتراق پس از عبور از محفظه احتراق وارد این لولهها میشود. انرژی گرمایی محصولات از طریق این لولهها به آب پیرامون منتقل میشود.
5- شبکه جلویی بویلر (Front Tube Plate): این صفحه نگهدارنده ابتدای لولههای دود است.
6- شبکه پشتی بویلر (Rear Tube Plate): این صفحه نگهدارنده انتهای لولههای دود است.
7- شبکه محفظه برگشتی (Reversal Chamber Tube Plate): این صفحه نگهدارنده لولههای دود پاس دوم است.
8- صفحه پشتی محفظه برگشتی (Wet Back Rear Plate): این صفحه متناسب با نوع بویلر میتواند در تماس با آب باشد یا پشت آن عایق شود.
9- صفحه جانبی محفظه برگشتی (Wrapper Plate): یکی از اجزای بویلرهای فایرتیوب است که بهعنوان پوسته جانبی محفظه برگشتی عمل میکند. این قطعه وظیفه هدایت و بازگشت گازهای داغ به بخش لولههای حرارتی برای افزایش انتقال حرارت و بازدهی بویلر را بر عهده دارد.
10- مشعل (Burner): مشعل وظیفه احتراق بهینه سوخت و هوا را برعهده دارد. در مشعل با تشکیل شعله، انرژی سوخت به انرژی گرمایی تبدیل میشود.
11- دودکش (Stack): گازهای حاصل از احتراق از طریق دودکش وارد اتمسفر میشوند.
12- دریچه بازرسی (Inspection Opening): این دریچهها به منظور بازدید و انجام تعمیرات دورهای روی بویلر تعبیه شدهاند.
13- فلنج خروجی: یکی از اجزای بویلر فایرتیوب است که در محل خروج گازهای داغ یا سیالات از سیستم نصب میشود. این قطعه اتصال ایمن و قابل جداسازی را برای انتقال سیال به لولهها یا تجهیزات دیگر فراهم میکند و اغلب با استانداردهای فشاری و دمایی مشخص طراحی میشود.
14- شیر اطمینان: به منظور جلوگیری از افزایش فشار و خطر انفجار بویلر از شیرهای اطمینان روی دیگ استفاده میشود.
15- فشارسنج و دماسنج: به منظور اندازه گیری دما و فشار از فشارسنج و دماسنج روی بویلر استفاده میشود.
16- پایههای نگهدارنده (Supports): این پایهها وظیفه استقرار تجهیز در محل مورد نظر را برعهده دارند.
17- سیستم برق و کنترل بویلر: این سیستم شامل کلیه تجهیزات الکترونیکی و کنترلی بویلر است که ارتباط بین پمپها، مشعل، فشار سنجها، دما سنجها و سایر تجهیزات موجود در موتورخانه را برقرار میکند. این تجهیزات با توجه به نوع بویلر متغیر میباشند.
انواع بویلر فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب براساس عوامل بسیاری دستهبندی میشوند که مهم ترین آنها عبارتند از :
1- خشک بودن یا تر بودن صفحه پشتی محفظه برگشتی
بویلر فایرتیوب به دو نوع عقبتر یا وتبک (Wet Back) و عقب خشک یا درایبک (Dry Back) تقسیم بندی میشوند. در صورتی که صفحه پشتی محفظه برگشتی در تماس با آب باشد عقبتر و در صورتی که پشت آن عایق باشد عقب خشک نامیده میشود. بویلرهای عقبتر سطح تبادل حرارت بیشتر نسبت بویلرهای عقب خشک دارند و همین باعث افزایش انتقال حرارت در بویلر و در نتیجه افزایش راندمان آن میشود. همچنین این امر باعث کاهش تنشهای حرارتی در بویلر میشود.
2- تعداد مسیرهای عبور گازهای احتراق
دیگهای فایرتیوب با توجه به اینکه گازهای داغ در چند مرحله (پاس) از محفظه احتراق تا دودکش از میان آب عبور کند تقسیم بندی میشوند. متداولترین دیگهای فایرتیوب دارای دو،سه یا چهار پاس هستند. در ادامه به توضیح دیگهای دوپاس، سه پاس و کوره برگشتی پرداخته میشود.
در بویلرهای دو، سه یا چهار پاس شعله مشعل در محفظه احتراق تشکیل شده و 40 تا 50 درصد انرژی خود را به آب منتقل میکند. عبور شعله در محفظه احتراق یک پاس شمرده میشود. پس از رسیدن گازهای داغ احتراق به انتهای محفظه احتراق، این گازها وارد محفظه برگشتی میشوند و سپس وارد مسیر یا پاس دوم میشوند. در دیگهای دوپاس با عبور گازهای احتراق از مسیر یا پاس دوم، محصولات احتراق وارد دودکش میشوند. این در حالی است که گازهای احتراقی انرژی زیادی را با خود به دودکش میبرند و تلفات حرارتی دودکش بالا است.
در بویلرهای سه پاس، گازهای احتراق پس از عبور از پاس دوم، وارد یک محفظه برگشتی دیگر در جلوی بویلر میشوند. در این محفظه، گازهای احتراق به سمت مسیر سوم هدایت میشوند و پس از عبور از لولههای دود مسیر سوم وارد دودکش میشوند. بویلرهای سه پاس بدلیل سطح حرارتی بالاتر نسبت به دیگهای دو پاس، راندمان حرارتی بالاتری دارند.
در بویلرهای چهار پاس، گازهای احتراقی پس از عبور از مسیر یا پاس سوم وارد یک محفظه برگشتی دیگر در پشت بویلر میشوند. در این محفظه، گازهای احتراق به سمت مسیر چهارم هدایت میشوند و سپس وارد دودکش میشوند. این بویلرها به دلیل سطح حرارتی بیشتر و همچنین آرایش دقیقتر لولهها، راندمان بالاتری نسبت به بویلرهای سه پاس دارند.
در دیگهای کوره برگشتی، با رسیدن شعله به انتهای محفظه احتراق، به دلیل مسدود بودن جلوی جریان، محصولات احتراق داخل محفظه احتراق برمیگردند. سپس گازهای داغ وارد لولههای دود اطراف محفظه احتراق شده و در نهایت از دودکش خارج میشوند.
3- تعداد کوره یا محفظه احتراق
با توجه به ظرفیت انرژی مورد نیاز بویلر، تعداد محفظههای احتراق بویلر میتواند یک یا دو کوره باشد. در صورتی که بویلر دارای دو محفظه احتراق (کوره) باشد، بویلر دو کوره نامیده میشود. این بویلرها دارای دو محفظه احتراق هستند که محصولات احتراق خارج شده از کورهها وارد یک محفظه برگشتی و بعد از آن پاسهای دو و سه میشود. این بویلرها دارای تنها یک دودکش هستند.
4- بویلرهای چگالشی و غیر چگالشی
در محصولات احتراق سوخت و هوا، کمی آب به صورت بخار وجود دارد. در صورتی که سطح حرارتی و ساختار بویلر به گونهای باشد که دمای محصولات احتراق کمتر از دمای شبنم شود، بخار آب چگالیده شده و آب مایع تولید میشود. در این صورت بویلر از نوع چگالشی است. در این حالت، انرژی نهان بخار نیز مورد استفاده قرار گرفته و به آب منتقل میشود. این بویلرها تنها در نوع بویلر آب گرم وجود دارند.
در فشار سطح دریا، دمای شبنم نزدیک 55 درجه است و در صورتی که دمای آب ورودی به بویلر کمتر از 55 درجه باشد، چگالش میتواند رخ دهد. راندمان این بویلرها بر اساس ارزش حرارتی بالای سوخت(HHV) نزدیک به 98% است.
5- دسته بندی بویلرها از لحاظ فاز سیال خروجی
بویلر فایرتیوب عموما برای گرمایش آب مورد استفاده قرار میگیرند. خروجی بویلر میتواند به صورت آب گرم یا بخار اشباع یا بخار سوپرهیت باشد. در صورتی که خروجی آب گرم باشد بویلر آب گرم نامیده میشود و در صورتی که بخار اشباع یا سوپرهیت باشد به آن بویلر بخار گفته میشود.
6- دسته بندی از لحاظ افقی یا عمودی بودن
با توجه به ظرفیت بویلر و جانمایی در موتور خانه، بویلرها میتوانند به صورت افقی یا عمودی قرار گیرند. عموما بویلرها در ظرفیتهای پایین میتوانند به صورت افقی یا عمودی طراحی و تولید شوند. در صورتی که بویلر عمودی باشد، مشعل در بالای آن قرار میگیرد و جهت شعله از بالا به پایین است.
نحوه عملکرد بویلر فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب بر اساس یک اصل ساده از انتقال حرارت کار میکنند که در آن، حرارت از گازهای داغ حاصل از احتراق به آب موجود در مخزن بویلر منتقل میشود. فرآیند عملکرد این بویلرها به شرح زیر است:
1- احتراق در بویلر
در مشعل، سوخت و هوا در کنار یکدیگر جریان پیدا میکنند، بین آنها واکنش شیمیایی رخ میدهد و شعله تشکیل می شود. فرآیند احتراق منجر به تولید حجم زیادی از گازهای داغ در محفظه احتراق میشود که حاوی انرژی حرارتی بسیار بالایی است. مشعل باید به گونهای طراحی و تنظیم شود که از برخورد مستقیم شعله با دیوارههای محفظه احتراق جلوگیری شود. برخورد شعله با این دیوارهها، میتواند منجر به آسیبجدی به محفظه احتراق شده و باعث افزایش انتشار آلایندهها شود. یکی از عوامل مؤثر در بهبود عملکرد بویلر و کاهش آلایندههای محیطی، استفاده از مشعلهای هوشمند است.
مشعلهای هوشمند رادمن با بهرهگیری از کنترلرهای پیشرفته و بهروز، قادر به تنظیم دقیق فرآیند احتراق هستند. این سیستمها نه تنها راندمان احتراق را افزایش میدهند، بلکه میزان انتشار آلایندههای مضر مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx) و مونوکسید کربن (CO) را به شکل قابل توجهی کاهش میدهند.
2- عبور گازهای داغ از لولههای آتش
گازهای داغ حاصل از احتراق از طریق مجموعهای از لولههای فلزی به نام لولههای دود (Smoke Tube) عبور میکنند. این لولهها درون یک مخزن آب بزرگ قرار گرفتهاند. همانطور که گازهای داغ از این لولهها عبور میکنند، حرارت خود را به آب اطراف لولهها منتقل میکنند.
3- جذب حرارت توسط آب
آب موجود در مخزن اطراف لولههای آتش قرار دارد و به تدریج با جذب حرارت از این لولهها گرم میشود. با افزایش دمای آب، آب گرم یا بخار تولید میشود.
4- دفع گازهای حاصل از احتراق
پس از آنکه گازهای داغ حرارت خود را به آب منتقل کردند، این گازها از طریق دودکش به فضای بیرون هدایت میشوند. این سیستم، به دفع ایمن گازهای حاصل از احتراق کمک میکند. به منظور افزایش بازدهی بویلر، میتوان گازهای حاصل از احتراق را قبل از ورود به اتمسفر از اکونومایزر و پیش گرمکن هوا عبور داد تا بتوان بیشترین انرژی را از محصولات احتراق دریافت کرد.
5- کنترل فشار و دما
برای اطمینان از عملکرد ایمن بویلر، فشار و دمای آب یا بخار درون بویلر بهصورت مداوم توسط سیستمهای کنترلی نظارت میشود. این سیستمها میتوانند بهطور خودکار جریان سوخت را تنظیم کرده و دما و فشار آب یا بخار خروجی را کنترل کنند.
اهمیت اکونومایزرها در بهبود عملکرد بویلرهای فایرتیوب
اکونومایزرها یکی از تجهیزات کلیدی در بهبود راندمان حرارتی بویلرها هستند که نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی دارند. اکونومایزر نوعی مبدل حرارتی است که در یک سمت آن گازهای داغ خروجی از دودکش جریان دارد و در سمت دیگر آن آب در جریان است. این دستگاهها با بهرهبرداری از گرمای گازهای خروجی، که معمولاً در حالت عادی از طریق دودکش هدر میروند، به افزایش راندمان کلی سیستم کمک میکنند.
عملکرد اکونومایزر
اکونومایزرها با استفاده از حرارت گازهای احتراق خروجی، آب ورودی به بویلر را پیشگرم میکنند. این فرآیند باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای گرم کردن آب میشود. در نتیجه:
مصرف سوخت کاهش مییابد، زیرا بخشی از گرمای مورد نیاز جهت گرم کردن آب آب پیش از ورود به بویلر توسط اکونومایزر تأمین شده است.
دمای گازهای خروجی کاهش مییابد، که منجر به کاهش تلفات حرارتی و افزایش بهرهوری میشود.
مزایای استفاده از اکونومایزر
افزایش راندمان حرارتی: اکونومایزرها میتوانند راندمان بویلر را تا 5 تا 10 درصد افزایش دهند.
صرفهجویی در هزینهها: کاهش مصرف سوخت بهطور مستقیم هزینههای عملیاتی را کاهش میدهد.
کاهش انتشار گازهای گلخانهای: با بهینهسازی مصرف سوخت، انتشار گازهای گلخانهای مانند دیاکسید کربن کاهش مییابد.
مزایای بویلر فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب به دلیل ساختار ساده و عملکرد قابلاعتماد، در بسیاری از صنایع کاربرد دارند. این نوع بویلرها از دیرباز به دلیل ویژگیهای خاص و مزایای متعددی که دارند، محبوبیت بالایی کسب کردهاند. برخی از مهمترین مزایای بویلر فایرتیوب عبارتاند از:
1- طراحی ساده و ساختار قابلاعتماد
بویلرهای فایرتیوب به دلیل طراحی ساده خود، فرآیند ساخت و نصب آسانی دارند. این سادگی در طراحی، باعث میشود که سیستمها به راحتی قابل تعمیر و نگهداری باشند و خرابیهای ناشی از پیچیدگیهای فنی کمتر رخ دهد.
2- هزینههای نگهداری پایین
بویلر فایرتیوب نیاز به نگهداری و تعمیرات کمتری نسبت به برخی از بویلر واترتیوب دارد. به دلیل طراحی ساده، این بویلرها معمولاً در طول زمان کمتر خراب میشوند و هزینههای کمتری برای تعمیرات دارند.
3- دوام و طول عمر بالا
بویلرهای فایرتیوب معمولاً از مواد مقاوم و باکیفیت ساخته میشوند که باعث افزایش طول عمر و دوام آنها میشود. در نتیجه، این بویلرها میتوانند برای مدت طولانی به کار خود ادامه دهند..
4- مناسب برای فشارهای متوسط
بویلرهای فایرتیوب معمولاً در فشارهای متوسط و پایین کار میکنند که این ویژگی آنها را برای کاربردهای صنعتی متداول مناسب میسازد. از آنجا که بسیاری از صنایع به بخار با فشارهای بالا نیاز ندارند، این بویلرها بهینهترین گزینه برای تولید بخار در این صنایع هستند.
5- صرفهجویی در فضا
برخی از انواع بویلرهای فایرتیوب، مانند بویلرهای لوله عمودی، طراحی کم حجمی دارند که فضای کمتری را اشغال میکنند. این ویژگی آنها را برای استفاده در مکانهایی که فضای در درسترس محدود است، مانند کشتیها و ساختمانهای کوچک، بسیار مناسب میسازد.
6- انعطافپذیری در استفاده از سوخت
بویلرهای فایرتیوب قابلیت کار با انواع مختلف سوختهای گازی و مایع را دارند. این انعطافپذیری در سوخت به کاربران اجازه میدهد تا بر اساس در دسترس بودن سوخت و هزینههای آن، نوع سوخت مناسب را انتخاب کنند.
مزایای اشاره شده در بالا باعث شدهاند که بویلرهای فایرتیوب در بسیاری از کاربردهای صنعتی، نیروگاهی و تجاری به عنوان یکی از انتخابهای اصلی برای تولید آب گرم یا بخار مورد توجه قرار گیرند.
معایب بویلرهای فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب دارای محدودیتهایی مانند ظرفیت و فشار پایینتر، بازده کمتر، و افت فشار بالاتر در مسیر گازها هستند. در ادامه، این معایب بهطور کامل بررسی میشوند.
1- محدودیت ظرفیت
دیگهای فایرتیوب معمولاً ظرفیت پایینتری از دیگهای واترتیوب دارند.
2- محدودیت فشار
به دلیل نوع ساختمان و عملکرد بویلر فایرتیوب این بویلرها نمیتوانند برای فشارهای بالا مورد استفاده قرار گیرند.
3- بازده پایینتر نسبت به بویلرهای واترتیوب
بویلر فایرتیوب سطح انتقال حرارت کوچکتر و در نتیجه بازده کمتری نسبت به بویلرهای واترتیوب دارند.
4- افت فشار نسبتاً زیاد در سمت گازها
افت فشار مسیر هوا تا خروجی محصولات احتراق در بویلرهای فایرتیوب نسبت به بویلرهای واترتیوب بیشتر است. به همین دلیل تأمین هوای احتراق نیاز به فن قویتر و مصرف انرژی بیشتری دارد.
5- پاسخ کندتر به تغییرات بار گرمایشی
یک بویلر فایرتیوب در مقایسه با یک بویلر واترتیوب با ظرفیت مشابه، حجم آب بیشتری دارد. به همین دلیل، برای تغییر دمای خروجی و پاسخ به تغییرات بار گرمایشی به زمان بیشتری نیاز دارد.
استانداردهای فنی
در زمینه بویلر فایرتیوب استانداردهای مختلف ملی و بینالمللی تدوین شدهاند که مهمترین آنها عبارتند از:
• استاندارد اروپایی EN 12953
• استاندارد انگلیسی BS 2790
• استاندارد ملی 22156
کاربردهای بویلر فایرتیوب
بویلرهای فایرتیوب در مقایسه با بویلرهای واترتیوب عموماً برای ظرفیتهای پایینتر به کار گرفته میشوند. مهمترین کاربردهای بویلر فایرتیوب موارد زیر هستند:
• سیستمهای گرمایش مرکزی ساختمانها
• تأمین آب گرم یا بخار واحدهای صنعتی مانند صنایع شیمیایی، دارویی، غذایی، نساجی و …
بویلرهای فایرتیوب؛ انتخابی مطمئن برای کاربردهای صنعتی
بویلر فایرتیوب دستهای از بویلرها هستند که با احتراق یک سوخت، آب گرم یا بخار تولید میکنند. البته از این بویلرها برای گرم کردن سایر سیالات مانند روغن نیز استفاده میشود. علت نامگذاری بویلر فایرتیوب(دیگ فایرتیوب) یا لوله آتشی آن است که شعله مشعل داخل لوله یک محفظه لولهای تشکیل شده و محصولات احتراق نیز از داخل مجموعهای از لولهها عبور میکنند. این بویلرها بسته به نوع طراحی میتوانند با سوختهای مختلف گازی، مایع و جامد کار کنند و کاربردهای متنوعی دارند که مهمترین آنها سیستمهای گرمایش مرکزی و تأمین آب گرم یا بخار واحدهای صنعتی است.
بویلرهای شرکت پاکمن با بهرهگیری از تکنولوژیهای پیشرفته و طراحیهای بهینه، به عنوان راهکاری قابل اعتماد و کارآمد در صنایع مختلف شناخته میشوند. مشعلهای هوشمند رادمن با استفاده از کنترلرهای پیشرفته و به روز علاوه بر افزایش بهرهوری بویلر، به صرفهجویی در مصرف انرژی و حفظ محیط زیست نیز کمک میکنند.